JP5590352B2 - ソーラシミュレータ - Google Patents

Description

この発明は、太陽光に近似した光（疑似太陽光）を生じさせるソーラシミュレータに関するものであり、特に、太陽電池の特性を評価するための検査用光源として使用されるソーラシミュレータに係わるものである。

近年、クリーンなエネルギー源として太陽電池の需要が高まりつつある。一方、太陽電池においては、その出力特性を正確に測定、評価することが求められている。
太陽電池は、ソーラシミュレータによって評価されるが、かかるソーラシミュレータにおいても、出力される光のスペクトル合致度、時間変動率、照射場所むらがＪＩＳ規格やＩＥＣ等で規格化されている。

従来、特開２０１０−２５１３８７号公報（特許文献１）や特開２００９−２１８００９号公報（特許文献２）において、ソーラシミュレータにおける照射光の安定性を改善する技術が開示されており、これら特許文献では、ランプから放射された光の一部あるいは一成分を受光して、ランプにフィードバックする技術が開示されている。

図２には、前記特許文献１にかかる構成が示されていて、ソーラシュミレータの光源としてのランプ１０からの光は、反射ミラー１１により集光され、集光された光は第1の反射板１２によって光路を変更されて、フライアイレンズ１３に入射する。このフライアイレンズ１３を通過した光は、レンズ１４を通過して第２の反射板１５に入射して光路が変換された後、平行光を生成するためにコリメータレンズ１６に入射する。このコリメータレンズ１６を通過した平行光は、照射面Ｘに照射されるものである。
そして、前記第2の反射板１５には、その中心部に採光窓１７が設けられており、当該窓１７から漏れ出た光が拡散板１８を通過して、光量センサ１９に入射する。
この光量センサ１９によってランプ１０からの光量が検知され、ランプ１０に対してフィードバック制御がなされるものである。

図３には、前記特許文献２にかかる構成が示されていて、太陽光用の擬似光源となるランプ２０から放射された光は、反射ミラー２１によって集光されると共に、第1の反射板２２により光路が変更されて、インテグレータレンズ２３に入射する。このインテグレータレンズ２３を通過した光は、第2の反射板２４によって光路を変更され、コリメータレンズ２５に入射する。このコリメータレンズ２５に入射した光は、平行光に変換されて、照射面Ｘに照射されるものである。
そして、前記インテグレータレンズ２３と第２の反射板２４との間の光路中に、光分岐手段２６が配設され、該光分岐手段２６によって、ランプ２０から放射された光のうちの一成分を反射し、その反射光の光路を、上述したランプ１０から照射面Ｘに至る光路とは異なる方向に変更する。この光分岐手段２６の光路の先には、拡散板２７と光量センサ２８が配置されている。
前記拡散板２７は、光分岐手段２６からの光を均一化して光量センサ２８に導くものである。拡散板を用いずに光量センサで測定する場合は、もっぱら光路の中心部の光を測定する。

太陽電池が、疑似太陽光を照射されて出力すると、Ｉ−Ｖ特性が処理装置等に記憶されるものである。
そして、太陽電池の出力特性をソーラシミュレータによって正確に測定するためには、太陽電池の受光面に対して照射される擬似太陽光が、規格に合致した光を有するものであることが必要である。

ところで、上記特許文献１の技術においては、ランプ１０から放射された光のうち、第２の反射板１５の採光窓１７を通過した光のみの光量を検出するものである。すなわち、ワークに照射される光の全領域の一部領域の光のみを検出する構成であるので、照射光の放射照度時間変動率が場所によって異なると、これを検出することが難しく、前記光量センサの光量時間変動とワークに照射される光量時間変動とが一致しないため、ワークの光量時間変動がネガティブフィードバックで補正されず、不安定さが見逃される。

一方、これに対して、上記特許文献２の技術によれば、ランプ２０から出力された光の光路中に配置された光分岐手段２６は、放射光の全体を捉えており、その光の一成分を反射するので、実質的には全体の光についての光量を検出することが可能になる。
しかしながら、光分岐手段２６からの反射光は、図３で示されるように、光分岐手段２６で光のすべてを捉えながらも、光量センサ２８に入射する光はその放射光の全領域内で場所による放射照度の時間変動が生じたときに正確に放射照度の時間的不均一を検出できない。

特開２０１０−２５１３８７号公報 特開２００９−２１８００９号公報

この発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ランプからの光を反射する反射ミラーの出射側の先にコリメータレンズが設けられたソーラシミュレータにおいて、ランプからの放射光の全領域の光を検出して、照射光の全領域内で場所による放射照度の時間変動が生じたとしても、正確に被測定試料の放射照度として検出することができるような構造のソーラシミュレータを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明では、ランプと、該ランプからの光を反射する反射ミラーと、該反射ミラーの出射側の先に設けられたコリメータレンズとを備えてなり、前記コリメータレンズからの光を照射面に照射するソーラシミュレータにおいて、前記コリメータレンズと前記照射面との間に、前記コリメータレンズからの被測定試料照射光を受光するとともに、その光軸が前記コリメータレンズの光軸に対して傾斜するように光分岐手段が配置され、該光分岐手段による反射光が前記コリメータレンズを透過して集光する光軸上に、光量センサを備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、コリメータレンズからの光の全領域のうちの一成分を光分岐手段によって反射し、これをコリメータレンズによって集光して、この集光光を光量センサに入射させるので、ランプからの放射光に全領域内で場所による放射照度の時間変動が生じたとしても、これを正確に検出することができるという効果を奏するものである。
しかも、ソーラシミュレータに本質的に備わっている構造、即ち、コリメータレンズを利用するので、なんら付加的な光学系を必要とすることがない。

本発明のソーラシミュレータの全体構造図。 従来技術に係るソーラシミュレータの全体構造図。 他の従来技術に係るソーラシミュレータの全体構造図。

図１は本発明にかかるソーラシミュレータの全体構成を示す図である。
図において、本発明のソーラシミュレータは、基本的には、ランプ１と、反射ミラー２と、第1の反射板３と、インテグレータレンズ４と、第2の反射板５と、コリメータレンズ６とからなる。
前記ランプ１は、太陽光の光線に近似する、波長３５０ｎｍ〜１１００ｎｍの光を放射するランプであって、好ましくはショートアーク型のキセノンランプである。
前記ランプ１からの光は回転楕円形状を有する反射ミラー２によって反射集光され、第１の反射板３によって折り返されてインテグレータレンズ４に入射する。このインテグレータレンズ４によって強度均一化された光は、次の第2の反射板５によって再び折り返され、コリメータレンズ６に入射される。ここを透過した光は平行光とされ、検査光として照射面Ｘに照射されるものである。

上記構成を有するソーラシミュレータにおいて、前記コリメータレンズ６と照射面Ｘとの間に、前記コリメータレンズ６からの出射光の全領域の光を受光するように光分岐手段７が設けられている。この光分岐手段７は、その光軸Ｌ２が、前記コリメータレンズ６の光軸Ｌ１に対して所定角度だけ傾斜するように配置されているとともに、その反射光のすべてが、再びコリメータレンズ６に入射するように配設されている。
そして、前記光分岐手段７からの反射光がコリメータレンズ６によって集光される焦点位置に光量センサ８が配置されている。
なお、光分岐手段７は、具体的にはハーフミラーやビームスプリッタ等からなる。

上記構成において、ランプ１から放射されて、反射ミラー２により反射集光された光は、その前方の第１の反射板３により折り返され、インテグレータレンズ４に入射する。このインテグレータ４からの光は、第２の反射板によってコリメータレンズ６に向けて反射される。このコリメータレンズ６に入射した光は、当該レンズ６において平行光に変換され、光分岐手段７に入射する。
この光分岐手段７は、反射面において、コリメータレンズ６から出射された全領域の光を受光し、そのうちの一部（一成分）を反射して、その他の光の成分は透過させる。この光分岐手段７を透過した光は平行光となり、検査光として照射面Ｘを照射する。

一方、前記光分岐手段７によって反射された反射光は、再びコリメータレンズ６に入射する。このコリメータレンズ６を透過した反射光は、第２の反射板５により折り返されるが、このとき、光分岐手段７の光軸Ｌ２がコリメータレンズ６の光軸Ｌ１に対して傾斜していて一致していないので、前記反射光は、前記インテグレータレンズ４とはずれた別の焦点位置に集光する。
そしてこの反射板５からの光は、前記焦点位置に配置された光量センサ８に集光入射され、これにより、反射光の光量が検出される。
こうすることで、ランプ１から放射されてコリメータレンズ６を透過した光の全領域分の光を集光し、これを光量センサ８で検出するので、検査光の全体の照度変動について検知することができる。
なお、前記第１および第２の反射板３、５は、装置全体を小型化するためのものであって、原理的には必ずしも必要ではない。

そして、光量センサ８は、検出した光をその光量から電気信号（電圧）に変換して、ここでは不図示の光量制御回路に入力する。光量制御回路は、光量センサ８で検出された電気信号を、予め設定された値と比較演算し、その検出結果をランプ１の駆動電源に送信する。ランプ駆動電源は、光量制御回路からの信号を元に、光量が一定となるようランプ入力をネガティブフィードバック制御する。

以上説明したように、本発明のソーラシミュレータによれば、光分岐手段７は、コリメータレンズ６からの出射光の放射領域の全ての光を受光して反射するので、照射面Ｘにおいて部分的な照度低下が生じたときにも、かかる領域全体の照度変化を検出することができると共に、光分岐手段７からの反射光は、コリメータレンズ６に入射して、コリメータレンズの設計（収差補正）に従って焦点位置に集束するので、余計な光学系を付加することなく反射光を集光でき、単一の光量センサ８で全領域の照度を検出することができるようになるものである。

１ ランプ
２ 反射ミラー
３ 第１の反射板
４ インテグレータレンズ
５ 第２の反射板
６ コリメータレンズ
７ 光分岐手段
８ 光量センサ
Ｌ１ コリメータレンズの光軸
Ｌ２ 光分岐手段の光軸

Claims (1)

1. ランプと、該ランプからの光を反射する反射ミラーと、該反射ミラーの出射側の先に設けられたコリメータレンズとを備えてなり、前記コリメータレンズからの光を照射面に照射するソーラシミュレータにおいて、
   前記コリメータレンズと前記照射面との間に、前記コリメータレンズからの全領域の光を受光するとともに、その光軸が前記コリメータレンズの光軸に対して傾斜するように光分岐手段が配置され、
   該光分岐手段による反射光が前記コリメータレンズを透過して集光する光軸上に、光量センサを備えてなることを特徴とするソーラシミュレータ。
   
   
   

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